Вакуумный манометр — прибор для измерения давления разрежённых газов

Давление в вакуумной системе существенно влияет на целый ряд физических и химических явлений в вакууме, а также на протекание многих технологических процессов.

По принципу действия вакуумметры разделяются на следующие типы: жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые и ионизационные; последние, в свою очередь, подразделяются на электронные ионизационные, магнитные электро-разрядные и радиоизотопные. Каждый из этих типов вакуумметров рассчитан на измерение давлений в определенной области (рис. 1), обусловленной физическими закономерностями, заложенными в основу их работы.

Кроме того, все вакуумметры могут быть разбить на две группы — абсолютные и относительные.

Абсолютные вакуумметры, или вакуумметры прямого действия,- приборы, измеряющие непосредственно давление, т. е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания этих вакуумметров могут быть рассчитаны заранее с достаточной точностью и не зависят от рода газа; к ним относятся жидкостные, деформационные и компрессионные вакуумметры.

Относительные вакуумметры, или вакуумметры косвенного действия, — приборы, действие которых основано на зависимости от давления физических процессов, протекающих в вакууме, В этом случае измеряется не само давление, а некоторая величина, являющаяся функцией давления или плотности газа, Эти приборы нуждаются в градуировке по образцовым вакуумметрам для определения зависимости измеряемой величины от давления; их показания зависят от рода газа. К относительным относятся вязкостные, радиометрические, тепловые и ионизационные вакуумметры.

Большинство вакуумметров, особенно относительных, состоит из манометрического преобразователя и измерительной установки, Манометрический преобразователь непосредственно сообщается с вакуумным объемом, в котором измеряется давление газа, и преобразует сигнал давления в измеряемый сигнал; измерительная установка служит для измерения этого сигнала и электрического питания преобразователя.

Жидкостный вакуумметр — прибор, в котором измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. Вакуумметр (рис. 2) представляет собой V образную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или вакуумными маслами). Одно из колен трубки присоединяется к вакуумной системе, в нем находится газ при измеряемом давлении.

В вакуумметрах с трубчатым чувствительным элементом используется тонкостенная, изогнутая по дуге трубка эллиптического сечения, запаянная с одного конца (трубка Бурдона). При изменении давления внутри трубки изменяется радиус ее кривизны, что и фиксируется стрелой, приводимой в движение механической передачей. Угол поворота стрелки пропорционален разности измеряемого давления внутри трубки и окружающего опорного давления, В приборах этого типа опорным давлением обычно является атмосферное. Шкалы этих приборов градуируются в относительных единицах вакуума, т. е. атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора.

В мембранных вакуумметрах чувствительным элементом является тонкая упругая мембрана 1 , герметично разделяющая иве камеры, одна из которых соединяется а измеряемым объемом, а в другой поддерживается низкое опорное давление (рис. 3).

Существенное влияние на увеличение погрешности измерения при низких давлениях оказывают возникновение колебаний чувствительных элементов, обладающих малой упругостью, и температурные деформации. Эти эффекты затрудняют измерение малых перемещений мембраны, что ограничивает нижний предел измерения.

В сильфонных вакуумметрах в качестве чувствительного элемента используют сильфоны. Эти приборы фактически не отличаются от мембранных, только сильфоны имеют меньшую жесткость по сравнению с мембранами, что обеспечивают большую чувствительность измерения.

В деформационных вакуумметрах для измерения малых перемещений чувствительных элементов используют различные методы. Наиболее простым устройством является механическая передача с помощью рычажно-зубчатого механизма на вращающуюся стрелку. Применяются также оптические методы измерения. В мембранных и сильфонных вакуумметрах часто используются емкостный, индукционный и механотронный методы. В первом случае измеряется емкость между мембраной и неподвижной пластиной 2.которые являются обкладками конденсатора (см. рис. 3). Во втором — мембрана связана с сердечником катушки индуктивности, включаемой в одно из плеч сбалансированного моста, разбаланс которого регистрируется измерительным прибором.

В качестве примера прибора с механотронным отсчетом перемещения мембраны можно привести вакуумметр ВДГ-1 (рис. 4) с манометрическим преобразователем МКР-1. В этом преобразователе для измерения перемещения мембраны 2 используется коронный разряд между катодом 3 (пластина диаметром 22 мм) и двуйя анодами 4 (кольцо из проволоки).

При измерении методом квадратичной шкалы коэффициент компрессии изменяется, что дает возможность проводить измерения в более широком диапазоне давлений.

Постоянные компрессионного вакуумметра при измерении обоими методами определяются по геометрическим размерам прибора и могут быть вычислены с большой точностью,

В компрессионных вакуумметрах применяются различные способы подъема и опускания уровня ртути в измерительной части прибора. Например, поднятие и опускание сообщающегося сосуда, соединенного с измерительным баллоном прибора гибким шлангом, или сжатие сильфонного сосуда, заполненного ртутью. Наиболее часто применяется конструкция, когда трубка, отходящая от измерительного баллона, погружается в резервуар, заполненный ртутью» Давление в резервуаре может регулироваться вентилем, соединенным с форвакуумным насосом.

Ртуть, используемая в компрессионных вакуумметрах, должна быть совершенно чистой, поэтому она подвергается химической и электролитической очистке и вакуумной дистилляции.

Существует целый ряд конструкций компрессионных вакуумметров, в которых расширение диапазона измерения одним прибором достигается применением секционированного измерительного капилляра, диаметр которого ступенчато уменьшается с приближением к запаянному концу, или добавлением в области основного измерительного объема еще одной системы компрессии меньшей чувствительности. Однако обычно широкодиапазонная система компрессионных вакуумметров состоит из набора нескольких приборов с различным коэффициентом компрессии.

В связи с тем, что компрессионные вакуумметры являются абсолютными и могут попользоваться для абсолютных градуировок других вакуумметров в области высокого вакуума, вопрос о погрешности их измерения имеет большое значение.

На погрешность измерения влияют следующие факторы.

1. Погрешность измерения постоянных C_t и . Постоянные приборов С, и могут быть определены с погрешностью, меньшей 0,5%.

2. Неопределенность измерения высоты h из-за капилляра ной депрессии. Капиллярная депрессия оказывает существенное влияние на погрешность измерения, возрастая с уменьшением диаметра капилляров. Она возникает из-за того, что изменение уровней ртути в измерительном и сравнительном капиллярах под действием капиллярных сил, несмотря на равенство их диаметров, может быть неодинаково. Шлифовка капилляров -может привести к уменьшению капиллярной депрессии, однако

это не обеспечивает измерение h с погрешностью, меньшей ±0,3 мм.

3, Нарушение цилиндричности измерительного капилляра у запаянного конца. При измерении низких давлений, когда уровень ртути в измерительном капилляре располагается вблизи запаянного конца, погрешность измерения возрастает из-за трудности определения объема запаянного конца капилляра.

Существующие методы уменьшения этой погрешности путем графической обработки результатов ряда измерений довольно трудоемки.

4. Откачивающее действие паров ртути. Между компрессионным вакуумметром и вакуумной системой обычно располагается охлаждаемая жидким азотом или сухим льдом ловушка, предотвращающая попадание ртути в вакуумную систему.

При этом между компрессионным вакуумметром и ловушкой устанавливается поток ртутных паров, который осуществляет диффузионную откачку газа из измерительного объема вакуумметра. В результате давление в этом объеме меньше, чем давление в вакуумной системе.

Таким образом, истинное давление в вакуумной системе может быть рассчитано по результатам двух измерений, хотя сам эффект откачивающего действия существует.

К недостаткам компрессионных вакуумметров следует отнести.

1. Невозможность производить измерения давления легкокон-денсирующихся паров, неподчиияющихся закону Бойля — Мариотта. При их сжатии происходит конденсация, если давление в измерительном капилляре становится больше давления насыщенного пара.

2. Возможность загрязнения вакуумной системы парами ртути,

3. Невозможность непрерывно измерять быстроменяющиеся значения давления.

4. Большие габариты и масса

5. Опасность работы с большими количествами ртути, обладающей значительной токсичностью и находящейся в приборе, механическая прочность которого невелика.

Применение вакуумных масел в качестве рабочих жидкостей в компрессионных вакуумметрах позволило бы исключить ряд недостатков, таких как откачивающее действие паров рабочей жидкости, опасность разлива ртути, необходимость применения охлаждающих ловушек. Однако масла хорошо растворяют различные газы, что существенно осложняет подготовку прибора к работе, увеличивает погрешность измерения и, таким образом, ограничивает возможность их применения в компрессионных вакуумметрах.

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ВАКУУММЕТР

В данном приборе используется радиометрический эффект. Между двумя пластинами, находящимися при разных температурах, возникают силы отталкивания. Эти силы вызваны тем, что молекулы газа, ударяющиеся о более горячую поверхность, отскакивают от нее, получив большую кинетическую энергию, чем молекулы^ ударяющиеся о более холодную поверхность. Появляющееся при этом отталкивание пластин пропорционально давлению газа, если расстояние между пластинами меньше средней длины свободного пути молекул газа.

ВЯЗКОСТНЫЙ (ДИНАМИЧЕСКИЙ) ВАКУУММЕТР

Существует два типа вязкостных вакуумметров: колебательный и с вращающимся элементом. В колебательном вакуумметре мерой давления является время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. В качестве вибратора используются кварцевые нити, закрепленные с одного или двух концов, или кварцевые нити, соединенные мембраной, и т. д.

ТЕПЛОВЫЕ ВАКУУММЕТРЫ

Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления, которая имеет место при молекулярном и молекулярно-вязкостном режимах.

Манометрический преобразователь теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры.

Различают четыре типа тепловых вакуумметров: термопарные сопротивления (Пирани), термисторные и приборы, основанные на линейном расширении металлов. Эти вакуумметры отличаются конструкцией нагревательного элемента манометрических преобразователей и способом измерения их температуры.

В термопарных манометрических преобразователях (рис.6) в качестве нагревательного элемента используется тонкая проволока 1, а ее температура измеряется с помощью прикрепленной к ней термопары 2.

В вакуумметрах сопротивления (типа Пирани) (рис.7) нагревательным элементом является тонкая проволока 1, натянутая по оси цилиндрического баллона 2. Температуру этой нити определяют по ее сопротивлению, которое является функцией температуры.

В термисторных вакуумметрах нагревательным элементом является полупроводниковый термистор с большим значением температурного коэффициента сопротивления,

В приборах, основанных на линейном расширении металлов, в качестве нагревательного элемента используют длинную нить или биметаллическую пластину. Температуру элемента определяют по изменению его линейных размере® или по углу изгиба.

В настоящее время широкое распространение получили термопарные вакуумметры и вакуумметры сопротивления. Термисторные приборы используются редко из-за нестабильности параметров термисторов, большой инерционности и сильного влияния на работу прибора окружающей температуры. Все большее распространение получают приборы с биметаллическими пластинами. Их обычно используют в качестве вакуумных реле, размыкание или замыкание контактов которых происходит в результате изгибания биметаллической пластины при изменении давления.

При работе в режиме постоянного тока накала верхний предел измерений ограничивается не только переходом в вязкостный режим, а, главным образом, выравниванием температуры между нагревателем и баллоном при возрастании давления. Увеличение тока накала может повысить верхний предел, но одновременно повышается и нижний предел измерения и возникает опасность перегрева нити при уменьшении давления. Обычно верхний предел тепловых вакуумметров при работе в режиме постоянного тока накала не превышает 70 Па (0,5 мм рт, от.) Ступенчатое увеличение тока накала с ростом давления обычно не применяется, так как это существенно усложняет работу с вакуумметром. Обычно ток накала каждого манометрического преобразователя определяется и проверяется при эксплуатации. Для этого при давлениях, меньших нижнего предела измерения, изменением тока накала совмещают показания вакуумметра с отсчетом, соответствующим нижней точке . измерения на градуировочной характеристике. Соответствующий этому отсчету ток накала является рабочим.

При работе ионизационных манометрических преобразователей в вакуумных установках, содержащих пары масел (например, рабочих жидкостей диффузионных насосов), электроды преобразователей покрываются пленками масел, продуктами их крекинга и полимеризации, создающих изолирующие покрытия. В результате изменяется чувствительность приборов, в магнитных электро-разрядных преобразователях наблюдается затрудненное зажигание разряда. В электронных ионизационных преобразователях, кроме того, быстро ухудшается эмиссионная способность катода, и прибор выходит из строя.

В магнитных электроразрядных преобразователях в процессе работы катод очищается от этих пленок под действием бомбардировки высокоэнергетичными ионами, в то время как анод не очищается. Для восстановления характеристик преобразователя приходится снимать его с установки и проводить механическую очистку анода. Поэтому, например, конструкция преобразователя ПММ-32-1 — разборная. Очистка ионной бомбардировкой в процессе работы была бы возможна при вк почепми преобразователя в переменный режим питания, при котором электроды попеременно выполняли роль катода и анода. Однако в вышеописанных конструкциях при переполюсовке электродов разряд гаснет.

Промышленность выпускает вакуумметр ВЭМБ-1 с самоочищающимся преобразователем ПММ-28, в котором разряд поддерживается при переменном режиме питания (рис, 16), Преобразователь ПММ-28 представляет собой видоизмененный датчик Пеннинга, в котором имеется два кольцевых электрода 1, расположенных между двумя параллельными пластинами 2, являющимися частью корпуса прибора. На кольцевые электроды от высоковольтного трансформатора подается переменное напряжение, В каждый полупериод кольцо, находящееся при напряжении плюс 2,5 кВ, совместно с ближней к нему пластиной корпуса и кольцом, находящимися цри напряжении минус 2,5 кВ, образуют ячейку Пеннинга, Кольцо, находящееся под отрицательным потенциалом, и пластина корпуса являются катодом и очищаются ионной бомбардировкой. Другое кольцо и прилегающая к нему пластина корпуса очищаются в следующий полупериод.